一种基于DSP平台的快速H.264编码算法的设计

[日期：2008-6-13] 来源：现代电子技术  作者：周冬跃 肖万能 苏成悦 梁力 [字体：大 中 小] 　   　　视频压缩编码标准H.264／AVC是由ISO／IEC和ITU-T组成的联合视频专家组(JVT)制定的，他引进了一系列先进的视频编码技术，如4×4整数变换、空域内的帧内预测，多参考帧与多种大小块的帧间预测技术等，标准一经推出，就以其高效的压缩性能和友好的网络特性受到业界的广泛推崇。特别是在2004年7月JVT组织做了重要的保真度范围扩展的补充后，更加扩大了标准的应用范围，但同时巨大的运算量却成为其广泛应用的瓶颈。考虑到H.264协议实现的复杂度，本文的思路是：一方面提高硬件处理速度和能力，采用TI公司最新的数字媒体处理器Davinci TMS320DM6446 DSP芯片作为H.264编码器实现的硬件开发平台，另一方面提高算法效率。最后提出一个基于这个芯片的嵌入式H.264编码器的设计方案。 　　1 硬件平台 　　1.1 Davinci DM6446芯片介绍 　　DM6446采用DSP+ARM的双内核结构(内核图见图1)，其中的DSP芯片的CPU时钟频率可达594 MHz，ARM的引入可以释放DSP在控制方面的部分功能，使DSP专门进行数据处理的工作。芯片采用增强型的哈佛结构总线，其CPU内部有2个数据通道，8个32 b的功能单元，2个通用寄存器组(A和B)，可同时执行8条32 b长指令。如果能充分利用这8个功能单元，总字长为256 b的指令包同时分配到8个并行处理单元，在完全流水的情况下，该芯片的指令吞吐量将达到594×8=4 752 MIPS。处理器具有双16 b扩充功能，芯片能在一个周期内完成双16 b的乘法、加减法、比较、移位等操作。该芯片内部支持两级Cache，其中第一级32 kB的程序缓存器L1P，80 kB的数据缓存器L1D，而第二级的Cache大小是可配置的64 kB，芯片自动完成这两级Cache之间数据一致性的维护。有了这两级Cache的支持将使CPU的执行速度大大加快。   　　Davinci DM6446具有专用的视频图像处理子系统。视频处理子系统包括1个视频前端和1个视频末端，视频前端的输入接口用于接受外部传感器或视频译码器输出的BT.656等图像输入信息；视频末端输出接口输出图像，实现图像本地重现。 　　视频前端输入(VPFE)接口由1个CCD控制器(CCDC)，1个预处理器，柱状模块，自动曝光／白平衡／聚焦模块(H3A)和寄存器组成。CCD控制器可以与视频解码器CMOS传感器或电荷耦合装置连接。预处理器是一个实时的图形处理器。 　　1.2 H.264编码器硬件平台 　　本系统的平台核心处理芯片为Davinci DM6446，如图2所示，片外RAM选取两片DDR并联成32位的数据宽度，空间为256 MB。模拟视频信号在“VIDEO IN”引入后经过解码芯片TVP5146变换为数字信号后输入TMS320DM6446芯片中进行处理，H.264编码处理后的码流可以通过视频末端输出保存在本地硬盘上，以方便调试检查。或者可以通过10／100 M以太网物理层接口输出，进行网络传输。同时，本地的重构图像可以通过TMS320DM6446芯片内部OSD模块和编码模块D／A变换后直接显示输出。   　　2 H.264编码器结构与编码流程 　　2.1 H.264编码器结构 　　如图3所示输入的图像以宏块为单位进入编码器中，根据图像变化的快慢选择帧内或帧间预测编码。如果选择帧内预测编码，首先判断当前待编码块中是否包含很多的细节，再决定是否要把帧进行再分割。接着以重建帧μF′n中的块为参考，结合当前块周围块的预测模式，选择当前块的最佳预测模式。最后由重建帧μF′n中相应块和当前块选定的预测模式得到当前块的预测值。按照上述方法，对图像中的每一宏块作出帧内预测，进而得到一帧图像的预测值P。如果选择帧间预测编码，当前输入帧Fn和前一帧(参考帧)Fn-1被送到运动估计器(ME)，通过块搜索，匹配可以得到当前帧中的各宏块相对于参考帧中对应宏块的偏移量，也就是常说的运动矢量。接着，参考帧Fn-1和刚得到的运动矢量MV被送到运动补偿器(MC)，通过计算得到帧间预测值P；当前帧Fn和帧预测值P相减，得到残差Dn，经过变换，量化后产生一组量化后的变换系数X，再经过熵编码，与解码所需的一些边信息(如预测模式量化参数，运动矢量等)一起组成一个压缩后的码流，经NAL(网络自适应层)供传输和存储。    　　2.2 编码器编码流程 　　如图4所示为H.264编码器主流程。对输入的一帧图像首先进行单元划分：以宏块为基本单元进行划分，再由若干宏块在组合成Slice，由Slice再组合成Slice Group，这样每个宏块所属的Slice和Slice Group也就确定了。再判断输入的一帧图像是I-Frame还是P-Frame。在以上工作完成后，也就可以对每个宏块进行编码了。在对每个宏块都编码完成后，还需要对重构图像进行1／4象素精度插值处理、参考帧缓冲区插入处理等工作。至此，编码一帧的工作才算完成。 　　3 运动估计模式快速率失真决策 　　为了减少图像序列的时间冗余，达到更好压缩效果的目的，H.264／AVC编码方案采用运动补偿技术和预测。即由先前已编码的一个或多个帧产生当前编码帧的一种预测模式，然后再进行预测编码。且采用了一种可变块尺寸的运动预测模式，亮度块尺寸的范围从16×16变化到4×4，其中包含很多可选模式，形成了一种树形结构的运动预测。对于I帧(包含帧内4×4、帧内16×16)，对P帧(包含帧内4×4、帧内16×16、SKIP模式、帧间16×16、帧间16×8、帧间8×16、帧间8×8、帧间8×4、帧间4×8)同时还为P帧和B帧提供了特殊的SKIP模式，总共11种模式。这些可选模式的存在使得编码方式更加灵活，编码精度相对于固定尺寸块预测要高很多。然而，可选的帧问预测模式增加了，必然会使得运算复杂度增加，因此有必要采用一种高效的决策方法来选取块尺寸组合方式，使得编码效率和编码质量均佳。 　　3.1 拉各朗日代价函数 　　引入拉各朗日代价函数如下：   　　其中D表示重构恢复图像相对于原始图像间的失真；R(si，m)表示对宏块编码后数据及相关参数在码流中所占用的比特数，一般由编码统计得到，但对于SKIP模式，比特数默认为1比特；λ表示模式选择时所使用的拉各朗日乘积因子。 　　对于运动估计，可使用拉各朗日代价函数作为选择运动矢量的判决标准。根据式(1)得到对一个采样块si进行ME判决的代价函数为下：   　　该式返回产生最小代价值的最佳匹配运动矢量mi，其中M指各种可能编码模式的集合，m为当前选定模式，式(2)中R(si，m)是运动矢量(mx，my)所要传输(按熵编码)的比特数。D(si，m)表示对图像宏块的预测误差，对于该预测误差的计算有两种方案：当预测误差选择是绝对误差时用(SAD)表示，如式(3)；当预测误差选择是平方差时，则用SSD表示，如式(4)中：   　　其中A为当前编码宏块。在使用多参考帧进行运动估计时，mi表示所选用的最佳参考帧。在进行运动搜索时，对块si先是进行整象素精度的运动搜索，以取式(1)最小值为匹配标准，得到整象素精度最佳匹配点后，以同样的方法进行1／2，1／4象素精度的匹配搜索。同时在多个参考帧内作同样的操作，将所得的函数代价进行比较得到最小值，也就找到了s，块的最佳匹配的运动矢量mi。 　　3.2 快速预测模式判断算法 　　快速算法相对于拉各朗日代价函数算法，可分以下两步实现： 　　(1)以基于预测模式的方式计算代价函数J，但是这里采用简化的计算方法，对每一种采样模式进行分行交错隔点采样，如对8×8块内象素进行下采样，采样如图5所示。   　　然后对采样点计算SAD，记做SADi。仅对采样点计算的拉各朗日代价函数如下： 　　J=[SAD(si，m)+λ?R(si，m)] 　　先对上述各种模式分别计算代价函数J，然后选择代价最小的3种模式构成候选模式集。 　　(2)对步骤(1)所得到的候选模式集中每个模式，按照式(1)，通过计算基于率失真的代价来实现基于RDO的模式选择，也即C值最小的模式作为最终预测模式。 　　4 测试结果与结论 　　目前，基于DM6446平台上设计的以上H.264编码器系统己基本完成，我们选择了几个常见的视频对该编码器进行了性能测试，测试数据如表1所示。数据表明本H.264编码器能够正常工作，且表现出较好的压缩性能。当然该编码器只实现了H.264协议的基本档次的部分，而且尚未进行更专门的优化过程，而协议的其他部分，由于其复杂性，则需要进行进一步研究，沿着这个方向，视频还可以进一步压缩。